file_goc_776664

Slide 1 Đại Học Công Nghiệp Tp HCM Khoa Khoa Học Cơ Bản BÀI GIẢNG VLDC chủ đề VẬT LÍ NGUYÊN TỬ Thọt Sĩ Đỗ Quốc Huy Nêu được các kết luận về năng lượng, sự sắp xếp các trạng thái, cấu tạo vạch quang ph[.]

Đại Học Công Nghiệp Tp HCM

Khoa Khoa Học Cơ Bản

BÀI GIẢNG VLDC

chủ đề:

VẬT LÍ NGUYÊN TỬ

Thọt Sĩ Đỗ Quốc Huy

Nêu được các kết luận về năng lượng,

sự sắp xếp các trạng thái, cấu tạo vạch quang phổ của nguyên tử Hydro và các nguyên tử kim loại kiềm.

Nêu được tính chất lượng tử hóa của mômen động lượng quĩ đạo, mômen

spin.

Nêu được qui luật phân bố các nguyên

tố trong bảng HTTH và giải thích qui

luật đó.

MỤC TIÊU Sau khi học xong bài này, SV phải:

I – NGUYÊN TỬ HYDROGEN

II – NGUYÊN TỬ KIM LOẠI KIỀM

III – MÔMEN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MÔMEN TỪ CỦA ELECTRON CHUYỂN ĐỘNG XUNG QUANH HẠT NHÂN

IV – SPIN CỦA ELECTRON

V – HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV VI – BÀI TẬP

NỘI DUNG:

***

1 - C/đ của electron trong n/tử hydrogen:

Thế năng tương tác giữa hạt nhân và electron là:

Các số n, , m nhận các gía trị:

Số nguyên m là số lượng tử từ.

1 - C/đ của electron trong n/tử hydrogen:

I – NGUYÊN TỬ HYDROGEN:

Năng lượng của electron:

4 e

là hằng số Rydberg.

1 - C/đ của electron trong n/tử hydrogen:

I – NGUYÊN TỬ HYDROGEN:

Lớp N

Lớp L

Lớp K

Nl ion hĩa: ε = W∞ - W 1 = Rh = 2,185.10 -18 J =

13,5 eV

b Hàm sóng của electron và số các trạng thái lượng tử:

Hàm sóng của electron phụ thuộc vào 3 số lượng tử n,  và m:ψnm(r, θ , ϕ ) = Rn(r)Ym( θ , ϕ )

Cĩ bao nhiêu trạng thái ứng với số lượng tử n?

thái lượng tử, gọi là trạng thái cơ

thái lượng tử n bất kỳ, có n 2 trạng thái lượng tử Ta nói rằng mức năng lượng W n suy biến bậc n 2

Trạng thái ứng với  = 0 là trạng thái s

Trạng thái ứng với  = 1 là trạng thái p

Trạng thái ứng với  = 2 là trạng thái d

Trạng thái ứng với  = 3 là trạng thái f

b Hàm sóng của electron và số các trạng thái lượng tử:

2 Các kết luận:

c Xác suất tìm thấy electron phụ thuộc bán kính r:

Khi electron chuyển từ mức cao xuống

mức thấp sẽ phát ra bức xạ điện từ

với năng lượng ε = W n - W m

Lớp M

Lớp N

Lớp L

Lớp K

W4 =

-Rh/16

W∞ = 0

W 3 = -Rh/9

W 2 = -Rh/4

d Cấu tạo vạch của quang phổ hydrogen

2 Các kết luận:

1 1

n

2

1 2

n2

1 3

Pasch en

d Cấu tạo vạch của quang phổ hydrogen

2 Các kết luận:

∞

3 2

1

5

Dãy Lyman (Tử ngoại)

Dãy Balmer (Nhìn thấy)

Paschen

(Hồng ngoại)

Pfun d

Bracke tt

d Cấu tạo vạch của quang phổ hydrogen

2 Các kết luận:

II – NGUYÊN TỬ KIM LOẠI

KIỀM

1 - Các nguyên tử kim loại kiềm:

Cs Rb,

K, Na,

3

Cấu tạo của chúng tương tự như

của nguyên tử kim loại kiềm, về căn bản giống tính chất của nguyên tử hydrogen.

1 H 1 3 Li 6 11 Na 23

Lo õi

( ) 2

Rh

(7.9) n

2 - Năng lượng của electron hóa trị:

Sự sắp xếp các mức năng lượng tuân theo qui tắc Cletkopxki: Các mức năng lượng được sắp xếp từ thấp đến cao sao cho tổng (n + ) tăng dần; với cùng một giá trị (n + ) thì n nhỏ sẽ ở mức thấp hơn.

Do năng lượng của electron hóa trị phụ thuộc vào n và  nên người ta ký hiệu các mức năng lượng bởi nX với: = 0 → X = S

3s 3p 3d

3S 3P

3 Li

2S 2P

3S 3P

3D 4S

4P 4D 4F

11 N a

3S

3 P

3D 4S

4P 4D 4F

4S 4P 4D

3 - Quang phổ của nguyên tử kim loại kiềm:

Việc chuyển mức năng lượng tuân theo các quy tắc:

- Chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp hơn.

- Tuân theo quy tắc lựa chọn :

∆  = ± 1 (7.10)

II – NGUYÊN TỬ KIM LOẠI

KIỀM

Dãy chính: 2S - nP

Dãy cơ bản: 3S - nP

Dãy phụ II:

2P - nS

Dãy phụ I:

2P - nD

Sơ đồ quang phổ của lithium.

Ký hiệu 2S – nP để chỉ dịch chuyển

nP → 2S.

III – MÔMEN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MÔMEN TỪ CỦA ELECTRON CHUYỂN ĐỘNG XUNG QUANH HẠT NHÂN

1 Mômen động lượng (mômen orbital):CHCD : Lr = ×r rr p µ $ $

z +

-  0 + 



 , 2 ,

gọi là manheton Bohr.

23 2 B

µ 

L

III – MM ĐL VÀ MM TỪ CỦA ELECTRON:

H ≠

0

Vì electron có mômen từ nên khi nguyên tử hydrogen đặt trong từ trường electron có thêm năng lượng phụ:

Suy ra, tần số bức xạ điện từ ν’:

Giải thích hiệu ứng Zeeman:

h

B μ

) m

(m h

W

W h

Do quy tắc lựa chọn đối với m: ∆m = 0,

Đặc trưng cho chuyển động riêng của electron

là momen Spin (coi như momen đl riêng)S

IV – SPIN CỦA ELECTRON

1 - Spin:

Cơ học lượng tử đã tìm được biểu thức đối với giá trị của mômen spin: S = s(s 1) (7.20)+ h

với s = , gọi là số lượng tử spin, hay gọi tắt là spin Đây là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có trong cơ học cổ điển.

2 1

Hình chiếu của mômen spin lên trục z tùy ý bằng: S



sm

z

S (7.21)

spin chiếu

tử hình lượng

số là

gọi 2

1 m

với s = ±

IV – SPIN CUÛA ELECTRON

2 - Mômen từ riêng của electron:

3 - Trạng thái và n/l của electron trong ng/tử:

Do có mômen spin và mômen động lượng nên electron có mômen toàn phần :

của trị

Do đĩ, ngồi ba số lượng tử n, , m cịn phải đưa vào số lượng tử ms để đặc trưng cho sự định hướng của spin Vậy trạng thái của một electron trong nguyên tử được xác định bởi 4 số lượng tử n, , m, m s

Về mức năng lượng, ngoài sự phụ thuộc vào các số lượng tử n và , thì W còn phụ thuộc vào sự định hướng của spin Nói khác đi, năng lượng toàn phần của electron phải phụ thuộc vào 3 số lượng tử là n,

2S 2P

3S 3P

3D 4S

Khoảng cách giữa 2 mức tách ra là rất

tế của mức năng lượng

IV – SPIN CỦA ELECTRON

Ký hiệu mức năng lượng của electron hóa trị là n 2 X j

Ký hiệu trạng thái electron hóa trị là nx j , trong đó n là số lượng tử chính ; x = s, p, d, f, …; j =  ± 2

1

IV – SPIN CỦA ELECTRON

3 - Trạng thái và n/l của electron trong ng/tử:

Các trạng thái và mức năng lượng có thể có của electron hóa trị trong nguyên tử hydrogen và các nguyên tử kim loại kiềm.

n  j Tthái của

electron hóa trị

Mức năng lượng

4 - Cấu tao bội của vạch quang phổ:

Sử dụng cấu trúc tinh tế của mức năng lượng có thể giải thích được cấu tạo bội 2, 3 của vạch quang phổ.

Do mức năng lượng, ngoài sự phụ thuộc n và , còn phụ thuộc vào j nên khi electron chuyển từ mức cao xuống mức thấp, ngoài quy tắc lựa chọn dối với , electron còn phải tuân theo quy tắc lựa chọn đối với j:∆ j = 0, ± 1 (7.26)

IV – SPIN CỦA ELECTRON

spin sẽ cho vạch kép (bội hai).

4 - Cấu tao bội của vạch quang phổ:

IV – SPIN CỦA ELECTRON

2 2 P 1/2

3D

2P

Ví dụ 2: Vạch đơn: h ν = 2P – 3D, khi tính đến

spin sẽ cho vạch bội ba.

4 - Cấu tao bội của vạch quang phổ:

IV – SPIN CỦA ELECTRON

V – HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV

Để giải thích quy luật phân bố của các electron trong bảng tuần hoàn

loại trừ Pauli: Ở mỗi trạng thái

lượng tử xác định bởi 4 số lượng tử n, , m và m s chỉ có thể có tối

đa một electron.

Ta biết, nếu chưa kể đến spin electron, với mỗi trị số của n ta có

n 2 trạng thái lượng tử Khi kể đến 2 định hướng spin là và thì với mỗi trị số của n ta có 2n 2 trạng thái lượng tử, nghĩa là có 2n 2 electron.

***

* Với n = 2 ta có lớp L với số tối

- Nguyên tử He có 2 electron ở lớp

K (đủ số electron)

- Nguyên tử Li có 2 electron ở lớp K và 1 electron ở lớp L

* Với n = 1 ta có lớp K với số tối

đa 2 electron

V – HỆ THỐNG TUẦN HOÀN MENDELEEV

Mỗi lớp lại chia thành các lớp con ứng với các giá trị khác nhau của

* Lớp K (n = 1) có tối đa 2 electron

Lớp này chỉ có một lớp S với  =

- Lớp con S ( = 0) chứa 2(2 + 1) = 2 electron

- Lớp con P ( = 1) chứa 2(2 + 1) = 6 electron

- Lớp con D ( = 2) chứa 2(2 + 1) = 10 electron

* Lớp N (n = 4) có tối đa 32 electron, gồm 4 lớp con:

- Lớp con S ( = 0) chứa 2(2 + 1) = 2 electron

- Lớp con P ( = 1) chứa 2(2 + 1) = 6 electron

- Lớp con D ( = 2) chứa 2(2 + 1) = 10 electron

- Lớp con F ( = 3) chứa 2(2 + 1) = 14 electron

* Lớp M (n = 3) có tối đa 18 electron, gồm 3 lớp con:

Hình 7.13 Sơ đồ cấu trúc

các lớp vỏ K, L, M của

nguyên tử khi kể đến spin.

1S 2S 2P 3S 3P 3D

(2) (2) (6) (2) (6) (10)

Quy luật phân bố các electron qũy đạo như trên cho phép sắp xếp các nguyên tố theo thứ tự tăng dần số electron qũy đạo

Cấu trúc này được phản ảnh trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev, được xây dựng từ năm

1869, trước khi hình thành môn cơ học lượng tử

Bảng 7.4 sắp xếp các electron trong các nguyên tử của các nguyên tố trong 3 hàng đầu bảng tuần hoàn Mendeleev.

Nguye ân tố

1 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6

Bảng 7.4 Bảng sắp xếp các electron trong các nguyên tử của các nguyên tố trong 3 hàng đầu bảng tuần hoàn Mendeleev.

Nguye ân toá

2 2 2 2 2 2 2 2

6 6 6 6 6 6 6 6

1 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6

Từ bảng 7.4 có thể viết công thức cấu trúc lớp của nguyên tử

Ví dụ đối với A công thức là 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 , có nghĩa là đối với nguyên tử này ở trạng thái 1s có

2 electron, trạng thái 2s có 2 electron, trạng thái 2p có 6 electron, trạng thái 3s có 2 electron và trạng thái 3p có 1 electron.

Cũng từ bảng 7.4 thấy rằng các khí trơ là các khí có các lớp bị electron choáng đầy, đó là các nguyên tử bền về mặt hóa học Tổng số electron choáng đầy, theo bảng 7.4, đối với các khí trơ là 2 (He), 10 (Ne), 18 (Ar) Đối với các khí trơ khác ta có số electron choáng đầy là 36 (Kr), 54 (Xe), 86 (Rn).

VII – BÀI TẬP

BT 7.1

Tìm số bổ chính Rydberg đối với số hạng 3P của nguyên tử Na biết rằng thế kích thích đối với trạng thái thứ nhất bằng 2,10 vôn và năng lượng liên kết của electron hóa trị ở trạng thái 3s bằng 5,14 eV.

5,14 )

Δ (3

Rh

2 s

−

= +

(

Rh W

∆ +

BT 7.2

Trong nguyên tử hydrogen, electron chuyển từ trạng thái 3p về trạng thái cơ bản Xác định độ biến thiên mômen từ quỹ đạo của electron trong quá trình đó Bài giải:

Mômen từ quỹ đạo của

electron :

B e

e L

BT 7.3

Trong nguyên tử, xác định số trạng thái electron thuộc lớp n = 3 có cùng số lượng tử: